201 - Wärmeleitfähigkeit von Gasen

Der Transport von Wärmeenergie von einem Ort höherer zu einem Ort niedrigerer Temperatur kann durch Wärmeströmung (Konvektion), Wärmeleitung und Wärmestrahlung erfolgen. Der Anteil der Strahlung wächst mit der vierten Potenz derTemperatur und dominiert daher bei hohen Temperaturen (Sonne, glühende Heizwendel). Konvektion tritt bei Flüssigkeiten und Gasen auf (im Ozean, der Atmosphäre oder beim Heizen eines Zimmers) und beruht auf dem Wechselspiel von Auftriebskraft (warme Luft steigt auf) und innerer Reibung. Wärmeleitung ist besonders ausgeprägt in Festkörpern (am stärksten bei Metallen). Hier erfolgt der Energietransport durch freie Elektronen oder Gitterschwingungen.

Im Experiment wird hauptsächlich die Wärmeleitung - und zwar deren Druckabhängigkeit in einem verdünnten Gas - untersucht. Dabei wird u.a. die praktische Frage beantwortet, wieweit die doppelwandige Isolierschicht eines Thermosgefäßes evakuiert werden muss, um eine deutliche Verbesserung der Wärmeisolation zu erreichen. Sehr gut lässt sich auch das Einsetzen der Konvektion oberhalb einer kritischen Teilchenzahldichte beobachten. Anhand der Messkurven kann man bei niedrigen Drücken eine lineare Abhängigkeit der Wärmeleitung von der Anzahl der vorhandenen Moleküle nachweisen. Es wird sichtbar, wie stark der Ablauf physikalischer Prozesse im Vakuum von der mittleren freien Weglänge der Teilchen abhängt.

Als eine logische Ergänzung zu diesem Experiment kann der Versuch 211 - Viskosität von Luft betrachtet werden (Wärmeleitung = Energie-Transport durch Teilchenstöße; Viskosität (d.h. innere Reibung in Gasen) = Impuls-Übertragung durch Teilchenstöße).

Versuchsaufbau: